本報(bào)北京4月14日電（記者晉浩天）北京大學(xué)王劍威研究員、龔旗煌教授課題組與合作者經(jīng)過(guò)6年聯(lián)合攻關(guān)，研制了基于超大規(guī)模集成硅基光子學(xué)的圖論“光量子計(jì)算芯片”——“博雅一號(hào)”，發(fā)展出了超大規(guī)模集成硅基光量子芯片的晶圓級(jí)加工和量子調(diào)控技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了片上多光子高維度量子糾纏態(tài)的制備與調(diào)控，演示了基于圖論的可任意編程玻色取樣專用型量子計(jì)算。相關(guān)研究成果日前以《超大規(guī)模集成的圖量子光子學(xué)》為題，在線發(fā)表于《自然·光子學(xué)》。

研究團(tuán)隊(duì)介紹，圖論是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，可以用來(lái)描述被研究對(duì)象間的復(fù)雜關(guān)系。圖論也為描述與刻畫(huà)量子態(tài)、量子器件和量子系統(tǒng)等提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具，如圖糾纏態(tài)是通用量子計(jì)算的重要資源態(tài)，量子行走可以模擬圖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖可以描述量子關(guān)聯(lián)、研究量子網(wǎng)絡(luò)等。圖論“光量子計(jì)算芯片”是一種以數(shù)學(xué)圖論為理論架構(gòu)，描述、映射并在芯片上實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算功能的新型量子計(jì)算技術(shù)。

北京大學(xué)課題組與合作者經(jīng)過(guò)六年聯(lián)合攻關(guān)，發(fā)展出了基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝的晶圓級(jí)大規(guī)模集成硅基光量子芯片制備技術(shù)和量子調(diào)控方法，研制了一款集成約2500個(gè)元器件的超大規(guī)模光量子芯片，實(shí)現(xiàn)了基于圖論的光量子計(jì)算和信息處理功能。這一光量子芯片可與復(fù)數(shù)圖完全一一對(duì)應(yīng)，圖的邊對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)光子對(duì)源，頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)光子源到探測(cè)器的路徑，芯片輸出多重光子計(jì)數(shù)對(duì)應(yīng)于圖的完美匹配。通過(guò)編程該光量子芯片可任意重構(gòu)八頂點(diǎn)無(wú)向復(fù)圖，并執(zhí)行與圖對(duì)應(yīng)的量子信息處理和量子計(jì)算任務(wù)。

量子糾纏是研究量子基礎(chǔ)物理和量子計(jì)算前沿應(yīng)用的核心資源。然而，如何在芯片上制備多光子且高維度的量子糾纏態(tài)，一直存在諸多理論和實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)利用該光量子芯片，首次實(shí)現(xiàn)了多光子且高維度的量子糾纏態(tài)的制備、操控、測(cè)量和糾纏驗(yàn)證，驗(yàn)證了四光子三維GHZ真糾纏。在圖論統(tǒng)一架構(gòu)下，單一芯片編程實(shí)現(xiàn)了多種重要量子糾纏態(tài)。多光子高維糾纏可為高維通用型量子計(jì)算提供關(guān)鍵資源態(tài)。據(jù)介紹，基于圖論的可編程玻色取樣專用型量子計(jì)算芯片有望為化學(xué)分子模擬、圖優(yōu)化求解、量子輔助機(jī)器學(xué)習(xí)等提供有效解決方案。